10

Міністерство освіти і науки україни національний університет «львівська політехніка»

Моделювання та дослідження підсилювачів потужності Інструкція до лабораторної роботи № 3

з навчальної дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”

для студентів базових напрямків

6.170102 “Системи технічного захисту інформації”,

6.170103 “Управління інформаційною безпекою”

Затверджено

на засіданні кафедри

Захист інформації

Протокол № від 2013 р.

Львів – 2013

Моделювання та дослідження підсилювачів потужності: Інструкція до лабораторної роботи №3 з дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”/ Укл.: Кеньо Г.В.,  Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2013.  10 с.

Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц.,

Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф.

Рецензенти:

1. Мета роботи

Ознайомитися з принципом функціонування двотактних підсилювачів потужності (ПП) в різних режимах роботи. Визначити їх основні параметри.

2. Завдання

За допомогою графічного редактора системи схемотехнічного моделювання MicroCap 8 синтезувати каскади підсилювачів потужності (ПП) на біполярних транзисторах. Дослідити роботу двотактних підсилювачів потужності з додатковою симетрією в режимах роботи АВ і В. Виявити форму вихідного сигналу, визначити коефіцієнти підсилення за напругою, струмом та за потужністю підсилювачів потужності.

3. Теоретичні відомості

Вихідний каскад підсилювача призначений для віддачі заданої величини потужності сигналу у задане навантаження. У порівнянні з каскадами попереднього підсилення вихідні каскади мають низку особливостей.

Вихідні каскади споживають від джерел живлення значно більшу потужність, тому їх коефіцієнт корисної дії повинен бути достатньо високим. Для виділення у навантаженні заданої потужності на вхід каскаду потужного підсилення подається велика амплітуда сигналу, яка захоплює значну область характеристик транзистора. Тому збільшення потужності, що розвивається підсилювачем у навантаженні, супроводжується зростанням нелінійних спотворень.

Величина максимальної неспотвореної потужності та к.к.д. кінцевого каскаду залежить від типу транзистора, режиму його роботи і схеми каскаду. При невеликій вихідній потужності (від міліват до десятих часток вата) використовуються ті ж транзистори, що і в попередніх каскадах.

Для отримання середньої та великої потужності (одиниці – десятки ват та більше) використовуються спеціальні потужні транзистори.

Підсилювачі потужності бувають однотактними та двотактними. В ідеальному випадку двотактна схема являє собою сукупність двох ідентичних однотактних схем, які працюють почергово на одне навантаження. Однотактні підсилювачі частіше використовують за малих вихідних потужностей. Зазвичай в однотактній схемі транзистор працює у режимі А, у двотактній – у режимах АВ або В. Із цих варіантів двотактна схема є більш економною, що працює у режимі В. Підсилювачі потужності поділяються на трансформаторні та безтрансформаторні. Включення за схемою зі спільним колектором використовується в основному в безтрансформаторних підсилювачах потужності. Застосування в кінцевих каскадах глибокого зворотного зв’язку для покращення узгодження плечей транзисторних двотактних схем і підвищення їх лінійності привело до використання повторювачів напруги у вихідних каскадах, які практично витіснили трансформаторні підсилювачі потужності.

Безтрансформаторний двотактний каскад підсилення потужності з паралельним (несиметричним) виходом зображено на рис.1а. Такий каскад вимагає подання на вхід двох рівних за значенням напруг вхідного сигналу U_вх1 і U_вх2, які мають протилежні фази (двох парафазних вхідних сигналів). Живлення каскаду здійснюється від двох постійних напруг +E_K/2 і -E_K/2, які з’єднані послідовно. При позитивній півхвилі вхідної напруги U_вх1 відкривається транзистор VT₁ і залишається закритим транзистор VT₂. Струм і_K1 під дією напруги джерела живлення +E_K/2 протікає через відкритий транзистор VT₁ і резистор навантаження R_Н. При від’ємній півхвилі вхідної напруги U_вх1 відкривається транзистор VT₂ і закривається транзистор VT₁. Струм і_K2 під дією напруги джерела живлення -E_K/2 протікає через відкритий транзистор VT₂ і резистор навантаження R_Н. При симетрії схеми постійна складова струму не проходить через навантаження, оскільки середні значення струмів обох транзисторів рівні за значенням , але направлені в протилежні сторони. Одночасно змінні складові сигналу і_K1 і і_K2 проходять через навантаження в одному напрямку і додаються. Схема каскаду несиметрична, оскільки транзистор ввімкнений у схемі зі спільним колектором, а транзистор – зі спільним емітером.

а) б)

Рис.1. Безтрансформаторний двотактний підсилювач потужності з несиметричним виходом з двома джерелами живлення (а) та з одним джерелом живлення (б)

Якщо необхідно використовувати одне джерело живлення, то застосовують схему каскаду підсилення потужності, в якій навантаження вмикають через розділювальний конденсатор С_р (рис.1б). У цій схемі постійна складова струму не проходить через навантаження і воно вмикається відносно спільної точки схеми. По відношенню до джерела живлення Е_K обидва транзистори увімкнені послідовно, а по відношенню до навантаження (або за змінним струмом) – паралельно. Як і в інших двотактних схемах, транзистори VT₁ і VT₂ працюють почергово. При позитивній півхвилі вхідної напруги відкривається транзистор VT₁ і залишається закритим транзистор VT₂. Струм і_K1 під дією напруги джерела живлення протікає через відкритий транзистор VT₁ і резистор навантаження R_Н, при цьому конденсатор С_р заряджається до U_C=0,5E_K. При від’ємній півхвилі вхідної напруги відкривається транзистор VT₂ і закривається транзистор VT₁. Джерело живлення E_K виявляється відімкненим від двотактної схеми і заряджений конденсатор С_р розряджається по колу: відкритий транзистор VT₂ – резистор навантаження R_Н. Оскільки виконати умову U_C=0,5E_K і U_C=const при значному струмі навантаження є важко, то в таких схемах можуть виникати спотворення сигналу, що є однією з причин обмеженого їх використання.

Розглянуті каскади підсилення потужності можна спростити, якщо застосувати транзистори з однаковими параметрами, але з різним типами провідності (рис.2).

а ) б)

Рис.2. Безтрансформаторний двотактний підсилювача потужності з додатковою симетрією (комплементарний повторювач напруги) з двома

джерелами живлення в режимі В (а ) і в режимі АВ (б)

Такі схеми не вимагають фазоінверсного каскаду, оскільки при подаванні одного і того ж сигналу на бази обох транзисторів, струм колектора одного транзистора буде зростати, а другого зменшуватися, а схема буде працювати як двотактна, а в резисторі навантаження буде формуватись змінний сигнал. Оскільки транзистори ввімкнені у такій схемі зі спільним колектором, то такі каскади називають також комплементарними повторювачами напруги (бустерами струму).

На рис.2а зображена принципова схема найпростішого варіанту бустера струму в режимі В.

При U_вх=0 обидва транзистори закриті, а струм спокою дуже малий. При додатній полярності вхідного сигналу VT₁ працює як емітерний повторювач, а VT₂ – закритий. При від’ємній полярності вхідного сигналу VT₁ закривається, а VT₂ працює як емітерний повторювач. З відкритого стану у закритий транзистор проходить протягом певного проміжку часу, тому коли тривалість періоду сигналу менша від цього проміжку, то обидва транзистори будуть відкриті. В цьому випадку VT₁ буде ще відкритий, а VT₂ вже відкритий і через обидва відкриті транзистори буде проходити великий струм (наскрізний струм), який може їх зруйнувати. Для захисту транзисторів від цього наскрізного струму необхідно передбачити обмеження струму. Найпростіший спосіб обмеження цього струму – застосування в колах емітерів обмежуючих резисторів R_Е1 і R_Е2.

Відсутність струму спокою в підсилювачі, що працює у класі В, призводить до появи значних нелінійних спотворень. За малих струмів бази передавання сигналу в такому підсилювачі є істотно меншим, ніж за амплітудних значень, причому і самі струми баз нелінійно залежать від U_вх. Тому вихідний сигнал у двотактному підсилювачі класу В має спотворену форму, яку називають перехідною виду “сходинки”.

Для зменшення впливу нелінійності вхідного кола в колі бази створюється невелике зміщення, щоб можна було перейти на лінійну ділянку вхідної характеристики. У цьому випадку каскад працює у класі АВ. Для переходу у клас АВ потрібно задати в базі транзисторів невеликий струм спокою. Схема комплементарного повторювача напруги, що працює в режимі АВ зображена на рис.2,б.

Напруга зміщення задається за допомогою діодів VD₁ і VD₂, які ввімкнені у прямому напрямку. Резистори R₁ і R₂ задають струм через діоди і відповідно напругу зміщення. Для стабілізації струму спокою застосовують резистори R_Е1 і R_Е2, які вмикають в емітери транзисторів, що забезпечує від’ємний зворотний зв’язок за струмом. Збільшення значення цих резисторів приводить кращої стабілізації режиму, але оскільки вони ввімкнені послідовно з опором навантаження, то вони збільшують вихідний опір каскаду. Ці опори повинні бути значно менші від опору навантаження

За рахунок отримання струмового п'єдесталу вдається усунути вплив ділянки вхідної ВАХ транзистора з найбільшою нелінійністю. У результаті послаблюється вплив нелінійностей і вихідної ВАХ транзистора.

Застосування режиму класу АВ приводить до зниження нелінійних спо­творень, зумовлених вхідними та вихідними характеристиками транзисторів. У режимі класу АВ на певному інтервалі працюють одночасно обидва транзистори, тому у кривій результуючого струму істотно зменшуються нелінійні спотворення і знижується коефіцієнт нелінійних спотворень.

Оскільки струми спокою у підсилювачі потужності класу АВ малі і слаб­ко впливають на енергетичні показники пристрою порівняно з класом В, то можна вважати, що всі попередні співвідношення справедливі і для двотакт­ного каскаду класу АВ.

Каскади зі СК дуже добре підходять для їх використання в підсилювачах потужності. Вони мають великий вхідний опір, малий вихідний опір і малі коефіцієнти нелінійних спотворень. Всі ці переваги, а також малі частотні спотворення існують із-за 100%-ного послідовного ЗЗ за напругою. Коефіцієнт підсилення за напругою таких схем близький до одиниці.